一种作为施工工具的高度可调节桶形基础分析

刘金龙，祝 磊，肖 赟

(合肥学院 城市建设与交通学院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

针对海床的特殊地质条件，自1990年以来出现了一种海洋平台特殊基础形式——桶形基础(也称吸力桩，suction pile)，其多为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径钢制圆桶。安装时，首先在预定海域依靠桶体自重使其部分插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内和土体之间的气体或液体，从而使桶体内外形成压力差，逐步压入至海床内预定深度完成安装[1-3]。

桶形基础利用桶内外压力差贯入海床，当桶形基础的桶内顶部与海床土体接触时，海床土体会阻止桶形基础的进一步下沉，故桶形基础的贯入深度最大值即为桶形基础的高度。特别地，当土塞现象严重时，桶形基础还未完全贯入海床，桶内已被土塞土体顶住而无法进一步下沉，此时桶形基础的贯入深度小于桶形基础的高度。可见，利用桶形基础作为一种海上施工工具时，其存在一个局限性：桶形基础的最大贯入深度小于或等于其高度[4,5]。若要提高桶形基础的贯入深度，则需增大桶形基础的高度。但桶形基础的高度越大，造价越高，表面积越大贯入阻力也越大，显然是不可取的。

可见，亟待设计一种新型施工工具，施工时不通过增大桶形基础的总高度就能提高贯入海床的深度，施工能力更强。

1 高度可调节的桶形基础

为此，本文提出一种作为施工工具的高度可调节桶形基础：包括桶形基础与外部活动架；桶形基础的外侧底部均匀、对称的设置不少于三个的套筒；外部活动架包括下部连接环、上部连接环与轴杆；轴杆的下端焊接在下部连接环的外侧且其位置与桶形基础上的套筒相互配合，各轴杆插入匹配的套筒后相互可发生上下相对运动；轴杆的上端与上部连接环焊接相连；上部连接环在相邻轴杆之间向下伸长且连接有吊钩；上部连接环在相邻轴杆之间、吊钩的两侧还设有竖向杆，吊钩通过拉簧与相邻竖向杆相连，如图1～图7所示。

图1 所提施工装置三维结构示意图

桶形基础的构造与传统桶形基础基本相同，仅设置了多个套筒，桶形基础呈对称形状。外部活动架包括下部连接环、上部连接环与轴杆，如图3所示。外部活动架呈对称形状。

轴杆的下端焊接在下部连接环的外侧且其位置与桶形基础上的套筒相互配合，各轴杆插入匹配的套筒后相互可发生上下相对运动。轴杆的上端与上部连接环焊接相连；上部连接环在相邻轴杆之间向下伸长且连接有吊钩，吊钩的构造如图4所示；上部连接环在相邻轴杆之间、吊钩的两侧还设有竖向杆，吊钩通过拉簧与相邻竖向杆相连，如图5～图6所示。

下部连接环的内径与外径分别与桶形基础的内径与外径相等，故外部活动架与桶形基础闭合时下部连接环能紧贴于桶形基础的下端。

图2 桶形基础构件的三维结构示意图

图3 外部活动架的三维结构示意图

图4 吊钩详图

图5 外部活动架与吊钩连接详图

图6 外部活动架上端结构详图

图7 外部活动架移动至桶形基础底部的结构示意图

上部连接环的内径大于桶形基础的外径，故外部活动架与桶形基础发生相对运动时上部连接环不会与桶形基础四周发生接触。轴杆横截面为圆形，其外径小于套筒的内径，轴杆的中心至下部连接环中心的距离等于套筒的中心至桶形基础中心的距离。可见，轴杆与套筒能发生相对运动，且相互之间的接触较小，相互摩擦较小。上部连接环在相邻轴杆之间向下伸长呈锥状且锥端设置有连接孔，吊钩上部设置有连接孔，基于施工钢索可把吊钩组装在上部连接环的下部，组装后吊钩的弯钩设置在指向上部连接环内部的一侧，如图5～图6所示。

吊钩的下部两侧设置有连接孔，竖向杆的下部设置有连接孔，拉簧的两端基于吊钩下部的连接孔与竖向杆的连接孔使两者相连；吊钩在两侧拉簧的拉力作用下向上部连接环的内部倾斜，如图5～图6所示。竖向杆的作用是固定与连接拉簧。

吊钩在拉簧的拉力作用下向上部连接环的内部一侧倾斜，当桶形基础向下运动时，吊钩必然钩住桶形基础的下端，使得桶形基础向下运动时基于吊钩使外部活动架也向下运动。

轴杆与套筒发生相对运动使套筒的上端抵住上部连接环时，桶形基础的底端高于上部连接环的下边缘，如图7所示。该设计使得桶形基础与外部活动架发生相对运动至最大距离时，吊钩位于桶形基础的下部且向内部倾斜，确保桶形基础向下运动时吊钩能钩住桶形基础的下端。还可采取其它辅助措施确保桶形基础向下运动时吊钩能钩住桶形基础的下端，此处不再赘述。

桶形基础与外部活动架发生相对运动时，相对运动的最大距离不小于桶形基础高度的一半。各构件及相互连接的强度与变形应满足使用要求，在恶劣工况作用下不发生屈曲与失效。

2 所提装置施工方法

不妨以圆桶基础为例，描述所提桶形基础作为施工工具时的施工步骤。圆桶基础呈筒状，其外侧中下部设置一个系泊孔，圆桶基础的内径与外径分别与桶形基础1的内径与外径相等。基于所提桶形基础，对圆桶基础的施工方法介绍如下：

2.1 组装圆桶基础

把外部活动架与桶形基础 闭合使下部连接环紧贴于桶形基础的下端且使用辅助措施使两者相连。使用辅助措施把把圆桶基础9固定连接在下部连接环底部，锚链的一端连接在圆桶基础的系泊孔上。此时吊钩在拉簧的拉力作用下与桶形基础的外侧紧密接触。

2.2 桶形基础依靠自重下沉接触海床

桶形基础上连接施工绳索，基于施工绳索起吊桶形基础，使其进入海水中并处于铅锤状态，逐渐下放桶形基础，使其在自重作用下下沉接触海床并压入海床一定深度，如图8所示。

图8 装置依靠自重下沉接触海床的示意图

通常，桶形基础在自重作用下压入海床一定的深度，使桶形基础底部的圆桶基础的被海床土体封住，其内部形成封闭的空间，为后续的抽取空气形成负压提供必要的条件。

2.3 抽取负压使桶形基础贯入海床

桶形基础的顶部设置有进出水(气)阀，把连接管与进出水(气)阀固定相连，通过连接管抽出桶形基础内部的空气，形成内外压力差，从而把桶形基础贯入至海床土体中，桶形基础底部的圆桶基础被压入海床土体，如图9所示。

桶形基础贯入海床的过程中，位于桶形基础外侧的吊钩也受到了一定摩阻力。由于吊钩在拉簧的拉力作用下与桶形基础的外侧紧密接触，故海床土体的阻力一般难以吊钩的位置发生偏移、翻转。当然也可采取其它辅助措施对吊钩进行一定的简易固定，防止贯入海床过程中发生偏移与翻转。

该施工步骤传统桶形基础的施工基本无区别。

图9 桶形基础贯入海床的示意图

2.4 上浮桶形基础

待上一步骤中桶形基础无法继续贯入海床后，通过连接管对桶形基础内部充气，使桶形基础逐渐上浮，当桶形基础向上移动的距离等于桶形基础与外部活动架发生相对运动的最大距离时，停止充气，上浮桶形基础结束，如图10所示。

图10 桶形基础上浮至最大距离的示意图

桶形基础上浮时，吊钩与桶形基础的外侧发生刮擦，该阻力较小可忽略不计。桶形基础向上移动的距离等于桶形基础与外部活动架发生相对运动的最大距离时，桶形基础1的底端已高于吊钩。当桶形基础上浮至高于吊钩时，桶形基础不再阻挡吊钩，吊钩在拉簧的拉力作用下向内部倾斜，海床土体难以阻止吊钩向内部倾斜。拉簧的拉力应足够大，使得吊钩能冲破土体的阻力而向内部倾斜。为了便于桶形基础上浮时与外部活动架发生相对运动，减小相对运动时产生的摩擦力，可在轴杆的四周与套筒的内壁涂抹润滑剂。

2.5 再次抽取负压使桶形基础贯入至设计深度

通过连接管再次抽出桶形基础内部的空气，形成内外压力差，从而把桶形基础再次贯入至海床土体中，桶形基础底部的圆桶基础被进一步压入海床土体，如图11所示。

图11 桶形基础再次下沉贯入海床的示意图

桶形基础下沉过程中，向内部倾斜的吊钩将钩住桶形基础的下端。吊钩钩住桶形基础的下端后，外部活动架与桶形基础之间不再发生相对运动，桶形基础的下沉将带动外部活动架的同步下沉，进而把外部活动架底部的圆桶基础进一步压入海床土体中。

桶形基础下沉至内部为海床土体抵住时，无法进一步贯入，此时圆桶基础已被贯入至海床最大深度。与传统桶形基础相比，圆桶基础贯入海床的新增深度为上一步骤中桶形基础与外部活动架发生相对运动的距离。

2.6 移除桶形基础

待圆桶基础被压入海床至最大深度后，通过连接管对桶形基础内部充气，使桶形基础逐渐上浮，最终起吊、移除桶形基础。桶形基础移除后，仅剩圆桶基础在海床土体中，如图12所示。

与现有技术相比，本技术的优点为：

(1)结构设计新颖，在桶形基础外侧设置一个外部活动架，使得桶形基础与外部活动架构成一个可相互发生位移的整体式的可调节结构。

(2)外部活动架与桶形基础可发生相对运动，当桶形基础贯入海床后，通过对桶形基础的有限上浮，实现外部活动架与桶形基础之间的相对拉伸，外部活动架上的吊钩与桶形基础底部卡住后，再次对桶形基础进行下沉贯入作业，外部活动架能把锚泊基础进一步贯入至更深的海床土体中，大大提高了所施工锚泊基础的抗拔承载力。

(3)所提装置在施工时，可操作性强，施工简便，与传统桶形基础相比具有更深的施工能力。

图12 桶形基础移除后示意图

3 结束语

针对传统装置的局限性，提出了一种作为施工工具的高度可调节桶形基础，在桶形基础外设置一个外部活动架，使得桶形基础与外部活动架构成一个可相互发生位移的整体式的可调节结构，可操作性强，与传统桶形基础相比具有更深的施工能力。